Pochopení kvantové hmoty v supravodičích

1
Pochopení kvantové hmoty v supravodičích

Výzkumníci SLAC National Accelerator Laboratory zjistili, že supravodiče oxidu niklu obsahují fázi kvantové hmoty, známou jako vlny hustoty náboje, která je běžná u jiných nekonvenčních supravodičů. Nová studie ukazuje, že supravodiče oxidu niklu, které vedou elektřinu bez ztráty při vyšších teplotách než konvenční supravodiče, obsahují typ kvantové hmoty nazývané vlny hustoty náboje nebo CDW, které mohou doprovázet supravodivost. V jiných ohledech jsou však překvapivě jedinečné. Nekonvenční supravodiče obsahují směs podivných kvantových stavů. Výzkumníci našli jednu z nich – zmrzlé vlnění elektronů známé jako vlny hustoty náboje – v niklovém supravodiči, který objevili před třemi lety.

Ilustrace ukazuje typ kvantové hmoty nazývané vlny hustoty náboje nebo CDW, superponované na atomovou strukturu supravodiče oxidu niklu. (Dole) Materiál oxidu niklu s atomy niklu v oranžové a atomy kyslíku v červené. (vlevo nahoře) CDW se jeví jako vzor zmrzlých elektronových vln, s vyšší hustotou elektronů ve špičkách vlnění a nižší hustotou elektronů v korytech. (Vpravo nahoře) Tato oblast znázorňuje další kvantový stav, supravodivost, která se také může objevit v oxidu niklu. Přítomnost CDW ukazuje, že oxidy niklu jsou schopny tvořit korelované stavy – „elektronové polévky“, které mohou hostit různé kvantové fáze, včetně supravodivosti. Obrazový kredit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory. Kliknutím sem zobrazíte největší pohled.

Přítomnost CDW ukazuje, že tyto nedávno objevené materiály, také známé jako nikláty, jsou schopny vytvářet korelované stavy – „elektronové polévky“, které mohou hostit různé kvantové fáze, včetně supravodivosti, vědci z SLAC National Accelerator Laboratory a Stanford University uvedli v Nature Physics.

Wei-Sheng Lee, vedoucí vědec a vyšetřovatel SLAC ze Stanfordského institutu pro materiálové a energetické vědy (SIMES), který vedl studii, řekl: „Na rozdíl od jiných supravodičů, o kterých víme, se CDW objevují ještě předtím, než materiál dopujeme tím, že některé nahradíme. atomy s ostatními, aby se změnil počet elektronů, které se mohou volně pohybovat. Díky tomu jsou nikláty velmi zajímavým novým systémem – novým hřištěm pro studium nekonvenčních supravodičů.“

Nikeláty a kupráty

Během 35 let od objevení prvních nekonvenčních „vysokoteplotních“ supravodičů se výzkumníci snažili najít takový, který by dokázal přenášet elektřinu beze ztrát při teplotě blízké pokojové teplotě. Jednalo by se o revoluční vývoj, který by umožnil věci jako dokonale účinné elektrické vedení, vlaky maglev a řadu dalších futuristických, energeticky úsporných technologií.

Ale zatímco intenzivní globální výzkumné úsilí odhalilo mnoho aspektů jejich povahy a chování, lidé stále přesně nevědí, jak se tyto materiály stávají supravodivými.

Takže objev supravodivých schopností niklu vyšetřovateli SIMES před třemi lety byl vzrušující, protože poskytl vědcům nový pohled na problém.

Od té doby výzkumníci SIMES zkoumali elektronickou strukturu niklátů – v podstatě způsob, jakým se chovají jejich elektrony – a magnetické chování. Tyto studie odhalily důležité podobnosti a jemné rozdíly mezi nikláty a oxidy nebo měďnatými mědi – prvními objevenými vysokoteplotními supravodiče a stále světovými rekordmany pro vysokoteplotní provoz při každodenních tlacích.

Vzhledem k tomu, že nikl a měď leží těsně vedle sebe v periodické tabulce prvků, vědci nebyli překvapeni, když tam spatřili příbuznost, a ve skutečnosti měli podezření, že nikláty mohou vytvářet dobré supravodiče. Ukázalo se však, že je mimořádně obtížné zkonstruovat materiály se správnými vlastnostmi.

“Je to stále velmi nové,” řekl Lee. “Lidé se stále snaží syntetizovat tenké vrstvy těchto materiálů a chápou, jak mohou různé podmínky ovlivnit základní mikroskopické mechanismy související se supravodivostí.”

Zmrazené elektronové vlnky

CDW jsou jen jedním z podivných stavů hmoty, které bojují o význačnost v supravodivých materiálech. Můžete si je představit jako vzor zmrzlých elektronových vlnek superponovaných na atomovou strukturu materiálu, s vyšší hustotou elektronů ve špičkách vlnění a nižší hustotou elektronů v korytech.

Jak výzkumníci upravují teplotu materiálu a úroveň dopingu, objevují se a mizí různé stavy. Když jsou podmínky tak akorát, elektrony materiálu ztrácejí svou individuální identitu a tvoří elektronovou polévku a mohou se objevit kvantové stavy, jako je supravodivost a CDW.

Dřívější studie skupiny SIMES nenašla CDW v niklátech, které obsahují prvek vzácných zemin neodym. Ale v této nejnovější studii tým SIMES vytvořil a prozkoumal jiný niklátový materiál, kde byl neodym nahrazen jiným prvkem vzácných zemin, lanthanem.

Matteo Rossi, který vedl experimenty jako postdoktorandský výzkumník ve SLAC, poznamenal: “Vznik CDW může být velmi citlivý na věci, jako je napětí nebo nepořádek v jejich okolí, které lze vyladit pomocí různých prvků vzácných zemin.”

Tým provedl experimenty na třech rentgenových světelných zdrojích – Diamond Light Source ve Velké Británii, Stanford Synchrotron Radiation Lightsource ve SLAC a Advanced Light Source v DOE Lawrence Berkeley National Laboratory. Každé z těchto zařízení nabízelo specializované nástroje pro sondování a pochopení materiálu na základní úrovni. Všechny experimenty musely být kvůli pandemickým omezením prováděny na dálku.

“V podstatě sebedoping”

Experimenty ukázaly, že tento niklát může hostit jak CDW, tak supravodivé stavy hmoty – a že tyto stavy byly přítomny ještě předtím, než byl materiál dopován. To bylo překvapivé, protože doping je obvykle nezbytnou součástí získávání materiálů do supravodivosti.

Související: Produkce ropy v Kazachstánu klesla o 13 %

Lee řekl, že skutečnost, že tento niklát je v podstatě self-doping, jej výrazně odlišuje od kuprátů. “To dělá nikláty velmi zajímavým novým systémem pro studium toho, jak tyto kvantové fáze soutěží nebo se vzájemně prolínají,” řekl. “A to znamená, že mnoho nástrojů, které se používají ke studiu jiných nekonvenčních supravodičů, může být relevantních i pro tento.”

Vzorky použité v této studii byly syntetizovány v laboratoři Stanforda a profesora SLAC a ředitele SIMES Harolda Hwanga. Hlavní financování pochází z DOE Office of Science. Stanford Synchrotron Radiation Lightsource a Advanced Light Source jsou uživatelská zařízení DOE Office of Science.

***

Supravodiče sdílejí pozici jako fúze, za desítky let, hodně se naučili a zatím žádné produkty. Ale to není překvapení, obě pole jsou v subatomární zóně hmoty. Váš skromný spisovatel poprvé zažil kvantový svět jako kvantovou mechaniku, většinou cvičení v matematice.

Čtyři desetiletí výzkumu, vývoje nástrojů a experimentů vytvořila rozsáhlou znalostní základnu, která změnila kvantový svět v něco, co pravděpodobně časem způsobí nesmírné změny v životech, které vedeme. Vyhlídka, že se kvantové vlastnosti stanou součástí inovací, designu a inženýrství, se mnohem blíží a my se k tomu dostáváme rychleji.

Tento pohled se může zdát příliš optimistický, ale časové rozpětí mezi změnami se zdá být kratší.

Brian Westenhaus přes New Energy and Fuel

Další nejlepší čtení z Oilprice.com:

podobné příspěvky

Leave a Reply